(57)【要約】【課題】ＨＲＳＧおよび蒸気タービンをシャットダウンすることなく、部分負荷で複合サイクルのパワープラントを動作させるシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】本発明は、開放サイクルモードで動作するパワープラントに適用することができる。また、本発明は、閉鎖サイクルモードで動作するパワープラントに適用することができる。【選択図】図１
2013221506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサ入口およびコンプレッサ出口を含むコンプレッサと、
作動流体を動作可能なように発生させ、かつ先端部および排出端部を含む、少なくとも１つの燃焼システムであって、第１の燃料供給部および前記コンプレッサ出口と流体的に接続される、少なくとも１つの燃焼システムと、
前記コンプレッサと機械的に接続される一次タービンセクションであって、前記少なくとも１つの燃焼システムから前記作動流体を受け取るＰＴ入口、および前記作動流体を排出するＰＴ出口を含む、一次タービンセクションと、
前記ＰＴ出口と流体的に接続されるＨＲＳＧであって、前記作動流体を受け取り、蒸気を発生させ、蒸気排出部を通じて前記蒸気を排出する、ＨＲＳＧと、
前記ＨＲＳＧの前記蒸気排出部と結合されるプロセスであって、前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気を受け取り、かつ少なくとも２つのセクションをさらに含む蒸気タービンを含み、第１のセクションが第１のシャフトを含み、第２のセクションが、第２のシャフトを含み、クラッチが前記第１のシャフトおよび前記第２のシャフトを動作可能なように接続する、プロセスとを備えるシステム。
【請求項２】
前記ＨＲＳＧは、分離式熱回収式蒸気発生器（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｓｔｅａｍ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を含み、前記分離式熱回収式蒸気発生器は、
ａ．前記ＰＴ出口と流体的に結合され、かつ前記作動流体の一部分を動作可能なように受け取り、蒸気を発生させる第１の部分と、
ｂ．前記ＰＴ出口と流体的に結合され、かつ前記作動流体の残された部分を動作可能なように受け取る第２の部分とを含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の部分および前記第２の部分と接続されるダンパをさらに含み、
前記ダンパは、前記作動流体の流れを前記第１の部分と前記第２の部分の間に分配する、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
ａｃ入口およびａｃ出口を含む酸化剤コンプレッサをさらに含み、前記コンプレッサは、前記酸化剤コンプレッサと無関係に動作する、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの燃焼システムは、気流導管と流体的に接続される、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記分離式ＨＲＳＧの前記第２の部分から流出する前記作動流体が、前記コンプレッサ入口によって吸い込まれるように、前記分離式ＨＲＳＧの前記第２の部分の排出部と前記コンプレッサ入口の間に流体的に接続される排ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムをさらに含み、前記ＥＧＲシステムは、前記作動流体の物理的な特性を調節するための制御装置を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記一次タービンセクションの下流で流体的に接続される二次燃焼システムをさらに含み、前記二次燃焼システムは、燃料を燃料供給部から受け取る、請求項４記載のシステム。
【請求項８】
前記二次燃焼システムの下流で、かつ前記ＨＲＳＧの上流で接続される二次タービンセクションをさらに含む、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記プロセスは、前記分離式ＨＲＳＧの前記第１の部分の蒸気排出部と結合され、
前記プロセスは、前記第１の部分によって発生した前記蒸気を受け取る、請求項２記載のシステム。
【請求項１０】
前記蒸気タービンは、ＨＰセクション、ＩＰセクションおよびＬＰセクションを含み、前記蒸気排出部の一部分が前記ＬＰセクションと流体的に接続される、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＨＰセクションおよび前記ＩＰセクションは、第１のシャフトと接続され、  前記ＬＰセクションは、第２のシャフトと接続される、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記酸化剤コンプレッサの前記ａｃ出口と前記少なくとも１つの燃焼システムの間に流体的に接続される第１の気流導管をさらに含む、請求項４記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の気流導管は、前記酸化剤コンプレッサの下流で流体的に接続されるブースタコンプレッサを含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記酸化剤コンプレッサの前記ａｃ出口と二次燃焼システムの間に流体的に接続される第２の気流導管をさらに含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の気流導管は、前記少なくとも１つの燃焼システムおよび二次燃焼システムの下流で流体的に接続される回路をさらに含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１６】
前記酸化剤コンプレッサの第２のａｃ出口と二次燃焼システムの間に流体的に接続される第２の気流導管をさらに含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１７】
ａ．吸い込んだ気流を圧縮するように、コンプレッサを動作させるステップと、
ｂ．前記コンプレッサから得られた圧縮気流を少なくとも１つの燃焼システムに送るステップと、
ｃ．前記少なくとも１つの燃焼システムに燃料を供給するステップであって、前記少なくとも１つの燃焼システムは、前記燃料と前記圧縮気流の混合物を動作可能なように燃焼させて作動流体を生成する、ステップと、
ｄ．前記少なくとも１つの燃焼システムからの前記作動流体を一次タービンセクションに、次いで前記一次タービンセクションと流体的に接続されるＨＲＳＧに送るステップであって、前記ＨＲＳＧは、前記作動流体を受け取り、蒸気を発生させ、蒸気排出部を通じて前記蒸気を排出する、ステップと、
ｅ．前記ＨＲＳＧの前記蒸気排出部と流体的に結合されるプロセスを動作させるステップであって、前記プロセスは、前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気を受け取り、かつ少なくとも２つのセクションをさらに含む蒸気タービンを含み、第１のセクションが第１のシャフトを含み、第２のセクションが、第２のシャフトを含み、クラッチが前記第１のシャフトおよび前記第２のシャフトを動作可能なように接続する、ステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記ＨＲＳＧは、第１の部分および第２の部分を含む分離式ＨＲＳＧを含み、動作可能なように、
ａ．前記作動流体の第１の部分を前記ＨＲＳＧの前記第１の部分に送り、
ｂ．前記作動流体の残された部分を前記ＨＲＳＧの前記第２の部分に送り、
ｃ．前記ＨＲＳＧによって発生した前記蒸気をプロセスに送る、
請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
吸い込んだ酸化剤を圧縮するように、酸化剤コンプレッサを動作させるステップをさらに含み、前記酸化剤コンプレッサの前記動作は、前記コンプレッサの前記動作と無関係である、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
排ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムを動作させるステップをさらに含み、
前記ＥＧＲシステムは、前記ＨＲＳＧの前記第２の部分から流出する前記作動流体が、前記コンプレッサ入口によって吸い込まれるように、前記ＨＲＳＧの前記第２の部分の排出部と前記コンプレッサ入口の間に流体的に接続される、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記プロセスは、ＨＰセクション、ＩＰセクションおよびＬＰセクションを含む蒸気タービンを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
前記ＬＰセクションを動作させることができるように、前記クラッチを係合解除するステップをさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記ＬＰセクション、前記ＨＰセクションおよび前記ＩＰセクションを動作させることができるように、前記クラッチを係合するステップをさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
低負荷動作の間、前記蒸気の流れの大部分を前記ＬＰセクションに分配するステップをさらに含む、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に、複合サイクルのパワープラントに関し、より詳細には、ベース負荷出力が望まれていないとき、パワープラントを動作させるためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気型ターボ機械では、圧縮空気と燃料が混合されて燃焼し、それによって高エネルギーの流体（以降、「作動流体（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）」）が生成され、それは、タービンセクションに導かれる。作動流体は、タービンバケットと相互作用して機械的エネルギーを発生させる。これらのバケットは、発電機などの負荷に結合されるシャフトを回転させる。シャフトの回転によって、外部の電気回路に電気的に結合されるコイル中で電流が誘導される。ターボ機械が複合サイクルのパワープラントの一部をなす場合、タービンセクションから流出する高エネルギーの流体は、熱回収式蒸気発生器（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｓｔｅａｍ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に導かれる。ここで、作動流体からの熱が、蒸気を発生させるために水に伝達される。
【０００３】
燃焼プロセスによって、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）など、望ましくない排出物および／または汚染物質が生成される。環境上および／または規制上の理由から、これらの汚染物質を減少させることが必要である。いくつかのターボ機械は、これらの汚染物質を減少させる上で役立てるために、排ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）プロセスを組み込んでいる。
【０００４】
燃焼プロセスが、供給される酸化剤を消費する場合、化学量論的なＥＧＲ（Ｓ−ＥＧＲ：Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ−ＥＧＲ）が、ＥＧＲの形態になる。酸化剤は、たとえば空気または酸素源を含むことができる。Ｓ−ＥＧＲシステムでは、完全に燃焼させるために、モルベースで十分なだけの酸化剤が、燃焼システムに供給される。Ｓ−ＥＧＲプロセスは、実質的に酸素が無く、かつ比較的濃度が大きい望ましいガスを含む排出流を生み出すように構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７９５０２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パワープラントは、通常、ベース負荷で動作するが、ベース負荷出力が求められていない場合のシナリオが存在する。したがって、ベース負荷出力が望まれていない場合、部分負荷でパワープラントを動作させる方法およびシステムが望まれる。部分負荷は、本明細書で使用されるとき、低負荷と同義である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
当初に特許請求された発明と範囲が同一であるいくつかの実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定する意図はなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の考えられる形態を簡単に要約するためだけであると意図される。実際、本発明は、以下に述べる実施形態と同様である場合も、または異なる場合もある、様々な形態を包含し得る。
【０００８】
本発明の第１の実施形態により、コンプレッサ入口およびコンプレッサ出口を含むコンプレッサと、作動流体を動作可能なように発生させ、かつ先端部および排出端部を含む、少なくとも１つの燃焼システムであって、第１の燃料供給部およびコンプレッサ出口と流体的に接続される、少なくとも１つの燃焼システムと、コンプレッサと機械的に接続される一次タービンセクションであって、少なくとも１つの燃焼システムから作動流体を受け取るＰＴ入口、および作動流体を排出するＰＴ出口を含む、一次タービンセクションと、ＰＴ出口と流体的に接続されるＨＲＳＧであって、作動流体を受け取り、蒸気を発生させ、蒸気排出部を通じて蒸気を排出する、ＨＲＳＧと、ＨＲＳＧの蒸気排出部と結合されるプロセスであって、ＨＲＳＧによって発生した蒸気を受け取り、かつ少なくとも２つのセクションをさらに含む蒸気タービンを含み、第１のセクションが第１のシャフトを含み、第２のセクションが、第２のシャフトを含み、クラッチが第１のシャフトおよび第２のシャフトを動作可能なように接続する、プロセスとを備えるシステムが提供される。
【０００９】
本発明の第２の実施形態により、吸い込んだ気流を圧縮するように、コンプレッサを動作させるステップと、コンプレッサから得られた圧縮気流を少なくとも１つの燃焼システムに送るステップと、少なくとも１つの燃焼システムに燃料を供給するステップであって、その少なくとも１つの燃焼システムは、その燃料と圧縮気流の混合物を動作可能なように燃焼させて作動流体を生成する、ステップと、少なくとも１つの燃焼システムからの作動流体を一次タービンセクションに、かつ一次タービンセクションと流体的に接続されるＨＲＳＧに送るステップであって、ＨＲＳＧは、作動流体を受け取り、蒸気を発生させ、蒸気排出部を通じて蒸気を排出する、ステップと、ＨＲＳＧの蒸気排出部と流体的に結合されるプロセスを動作させるステップであって、プロセスは、ＨＲＳＧによって発生した蒸気を受け取り、かつ少なくとも２つのセクションをさらに含む蒸気タービンを含み、第１のセクションが第１のシャフトを含み、第２のセクションが、第２のシャフトを含み、クラッチが第１のシャフトおよび第２のシャフトを動作可能なように接続する、ステップとを含む方法が提供され、この方法は、パワープラントのターンダウン範囲を動作可能なように増加させる。
【００１０】
本発明のこれらならびに他の特徴、態様および利点は、添付図（図）を参照して次の詳細な記述を読むと、さらに良く理解することができ、それらの図では、同様の文字は、図全体にわたって同様の要素／部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す、開放サイクルモードで動作する標準的なガスタービンの簡略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する標準的なガスタービンの簡略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する再熱ガスタービンの簡略図である。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する再熱ガスタービンの簡略図である。
【図５】本発明の第５の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する再熱ガスタービンの簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を述べる。これらの実施形態を簡潔に述べる目的のため、本明細書では実際の実装形態のすべての特徴を述べないことがある。工学的または設計上のプロジェクトにおいてのように、いずれものかかる実際の実装形態の進展において、システム関連および／またはビジネス関連の制約の遵守など、具体的な目標を達成するために、多数の実装形態独自の決定が行われ、それらは、１つの実装形態と別の実装形態では異なる場合があることを理解すべきである。さらに、かかる努力は、複雑であり、かつ時間がかかることになる恐れがあるが、そうは言うものの、本開示の恩恵を受ける当業者には、設計、組立ておよび製造の通常の業務になるはずであることを理解すべきである。
【００１３】
本明細書に、詳細な例としての実施形態を開示する。しかし、本明細書に開示する具体的な構造上および機能上の細部は、例としての実施形態を述べる目的のためだけに表現される。しかし、本発明の実施形態は、多くの代替形態で実現することができ、本明細書に述べる実施形態だけに限定するものと解釈すべきでない。
【００１４】
したがって、例としての実施形態は、様々な変更形態および代替形態が可能であるが、それらの実施形態は、図に例としてだけで示し、本明細書に詳細に述べる。しかし、例としての実施形態を開示する特定の形態に限定する意図はなく、それとは反対に、例としての実施形態は、本発明の範囲に含まれる変更形態、同等物、および代替形態すべてに及ぶことになることを理解すべきである。
【００１５】
本明細書に使用される専門用語は、特定の実施形態だけを述べるためだけであり、例としての実施形態を限定する意図はない。単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、本明細書で使用されるとき、文脈で明確に他に規定されていない限り、複数形もまた含むものと意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を規定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはその群の存在または追加を排除しない。
【００１６】
用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、「一次（ｐｒｉｍａｒｙ）」、「二次（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）」などが、様々な要素を述べるために、本明細書に使用される場合、これらの要素は、これらの用語によって限定すべきではない。これらの用語は、１つの要素と別の要素を区別するためだけに使用される。たとえば、ただしこれらに限定されないが、第１の要素は、第２の要素という名を付けることができるはずであり、同様に、第２の要素は、例としての実施形態の範囲から逸脱せずに、第１の要素という名を付けることができるはずである。用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、本明細書に使用されるとき、関連する列挙されたアイテムの１つまたは複数のいずれもの組合せ、およびすべての組合せを含む。
【００１７】
いくつかの専門用語が、読者の便宜を図るためだけに、本明細書に使用される場合、本発明の範囲を限定するものと見なすべきでない。たとえば、「より上の（ｕｐｐｅｒ）」、「より下の（ｌｏｗｅｒ）」、「左側（ｌｅｆｔ）」、「右側（ｒｉｇｈｔ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」、「後（ｒｅａｒ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「水平の（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「上流の（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」、「下流の（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」、「前部の（ｆｏｒｅ）」、「後部の（ａｆｔ）」などの言葉は、図に示す構成を単に述べている。実際、本発明の実施形態の要素（複数可）は、いずれもの方向に方向付けることができ、したがって、専門用語は、他に規定されていない限り、かかる変形を包含するものと理解すべきである。
【００１８】
本発明は、様々な吸気型ターボ機械に適用することができる。これは、ただしこれらに限定されないが、ヘビーデューティガスタービン、航空転用ガスタービンなどを含むことができる。次の議論は、図１〜図５に示すガスタービンに関するが、本発明の実施形態は、構成が異なるガスタービンに適用することができる。たとえば、本発明は、ただし限定するものではないが、図１〜図５に示す構成要素と異なる、または追加の構成要素を備えるガスタービンに適用することができる。
【００１９】
ここで、様々な数字が、いくつかの図の全体にわたって同様の構成要素を表す図を参照すると、図１が、本発明の第１の実施形態を示す、開放サイクルモードで動作する標準的なガスタービンの簡略図である。
【００２０】
図１では、サイト１００は、熱回収式蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１０、負荷１１５、蒸気タービン２６５および負荷２９０と動作可能なように接続されるガスタービン１０５を含む。ガスタービン１０５は、コンプレッサ入口１２１およびコンプレッサ出口１２３を有するＧＴコンプレッサ１２０を含むことができる。ＧＴコンプレッサ１２０は、コンプレッサ入口１２１を通じて外気を吸い込み、それを圧縮し、次いでコンプレッサ出口１２３を通じて圧縮空気を排出する。次いで、ＧＴコンプレッサ１２０は、圧縮気流を一次燃焼システム１３０に供給することができる。
【００２１】
また、ガスタービン１０５は、圧縮気流を受け取る一次燃焼システム１３０と、第１の燃料導管１９０および第１の燃料バルブ１９５を含む燃料供給部１８５とを含むことができる。一次燃焼システム１３０は、それらの流体を燃焼させて作動流体を生成する。
【００２２】
また、ガスタービン１０５の実施形態は、ＰＴ入口１３７を有する一次タービンセクション１３５を含み、そのＰＴ入口１３７は、一次燃焼システム１３０から作動流体を受け取り、それと流体的に接続される。一次タービンセクション１３５は、取り付けられる、あるいは軸方向でロータ１２５に隣接する回転構成要素および静止構成要素を含むことができる。一次タービンセクション１３５は、作動流体を機械的なトルクに変換し、それは、負荷１１５（発電機、ポンプ、コンプレッサなど）を駆動する。次いで、一次タービンセクション１３５は、作動流体を、ＰＴ出口１３９を通じて排出セクション１５０に排出し、次いで付随する導管、配管、バルブなどを介してＨＲＳＧ１１０に排出する。
【００２３】
ＨＲＳＧ１１０の実施形態は、作動流体の一部分がその中で流れる形態で、一次タービンセクション１３５のＰＴ出口１３９と流体的に結合することができる。ＨＲＳＧ１１０は、プロセスにおいて使用するための蒸気を発生させるために、作動流体の一部分から熱を伝導するように構成することができる。プロセスは、ただしこれに限定されないが、蒸気タービン２６５を含むことができる。作動流体は、ＨＲＳＧ１１０を流れて通過した後、煙突２２５を通じて排出することができる。ＨＲＳＧ１１０の実施形態は、触媒２３０を含むことができ、それは、ＮＯｘ、ＣＯおよび／または他の望ましくない排出物のレベルを下げることができる。
【００２４】
蒸気タービン２６５の実施形態は、ＨＰセクション２７０、ＩＰセクション２７５およびＬＰセクション２８５を含むことができ、蒸気排出部は、ＬＰセクション２８５と流体的に接続することができる。いくつかの蒸気タービン２６５の構成は、ＨＰセクション２７０およびＩＰセクション２７５が第１のシャフト２７３と動作可能なように接続され、ＬＰセクション２８５は、第２のシャフト２８３と接続することができる。ここで、各シャフト２７３、２８３によって、ＨＰ／ＩＰセクション２７０、２７５がＬＰセクション２８５の動作と無関係に動作するようにさせることができる。他の構成は、縦一列になって、または「単一ロータ」構成で協働するすべてのセクション２７０、２７５、２８５を有する。ここで、クラッチ２８０は、第１のシャフト２７３と第２のシャフト２８３を動作可能なように係合する、または係合解除することができる。この構成は、まさにＬＰセクション２８５が動作するようにさせることができる。これは、部分負荷動作で都合が良い場合がある。また、これは、パワープラントのターンダウン範囲を拡大することができる。
【００２５】
本発明の第１の実施形態は、使用の際、次のように動作することができる。ＧＴコンプレッサ１２０が圧縮された外気を一次燃焼システム１３０に供給するとき、燃料供給部１８５は、燃料（天然ガス、オイルなど）を一次燃焼システム１３０に供給する。
【００２６】
次に、一次燃焼システム１３０は、それら流体の混合物を燃焼させて作動流体を生成し、それは、一次タービンセクション１３５と係合する。次に、作動流体は、排出セクション１５０を流れて通過することができる。
【００２７】
作動流体は、部分負荷動作の間、ＨＲＳＧ１１０を流れて通過した後、煙突２２５を通じて排出することができる。同時に、発生した蒸気は、発電のためにＬＰセクション２８５に流入し、ＬＰセクション２８５の回転速度より低い回転速度でシャフト２７３を回転させ、それを密閉するために、ＨＰおよびＩＰセクションに流入する。これは、クラッチ２８０の係合解除に起因する。当技術分野で知られているように、ＨＲＳＧ１１０から始まり、かつ蒸気タービン２６５のより高圧のセクション（ＨＰ、ＩＰなど）中に蒸気を排出する、少なくとも１つの他の蒸気吸気導管を設けることができる。
【００２８】
ＨＲＳＧ１１０の実施形態は、作動流体の一部分がその中で流れる形で、一次タービンセクション１３５のＰＴ出口１３９と流体的に結合することができる。ＨＲＳＧ１１０は、プロセスにおいて使用するための蒸気を発生させるために、作動流体の一部分から熱を伝導するように構成することができる。プロセスは、ただしこれに限定されないが、蒸気タービン２６５を含むことができる。作動流体は、ＨＲＳＧ１１０を流れて通過した後、煙突２２５を通じて排出することができる。ＨＲＳＧ１１０の実施形態は、触媒２３０を含むことができ、それは、ＮＯｘ、ＣＯおよび／または他の望ましくない排出物のレベルを下げることができる。
【００２９】
上記の議論は、図１に関して本発明の第１の実施形態の基本概念を述べている。便宜上、図１で識別された構成要素および要素に対応するそれらは、図２〜図５で同様の参照番号によって識別されるが、具体的には、必要に応じて、または各実施形態の理解のために望むように、それらについて議論するだけである。
【００３０】
図２〜図５に、閉鎖サイクル構成のガスタービン１０５または再熱ガスタービン１０７、具体的には化学量論的な排出ガス再循環のそれらを有するサイト１００に適用される本発明の実施形態を述べる。燃焼プロセスによって、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）など、望ましくない排出物および／または汚染物質が生成される。これらの汚染物質を減少することは、環境上および／または規制上の理由から必要になることがある。排出ガス再循環（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）プロセスは、これらの汚染物質を減少させる上で役立つ。本発明の次の実施形態は、ただしこれに限定されないが、部分負荷および化学量論的なＥＧＲ（Ｓ−ＥＧＲ：ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ−ＥＧＲ）条件の下で動作する複合サイクルのパワープラントに適用することができる。
【００３１】
化学量論的な条件は、完全燃焼を促進するために、ただしこれに限定されないが空気などの酸化剤を充分に用いるだけで、燃焼プロセスを動作させることと考えることができる。完全燃焼によって、炭化水素ベースの燃料を酸素によって燃やし、一次副産物として二酸化炭素および水を生み出す。多くの要因によって、完全燃焼が起きるかどうかが影響される可能性がある。これら要因は、ただしこれらに限定されないが、燃料微粒子に近接する酸素、振動、力学事象、衝撃波などを含むことができる。一酸化炭素の形成よりむしろ二酸化炭素の形成を促進する目的で、完全燃焼反応を促進するために、追加の酸素を燃料供給部に供給することができる。
【００３２】
図３〜図５に示す実施形態により、燃料供給部１８５は、単一源から得た燃料を一次および二次の燃焼システム１３０、１４０に提供することができる。あるいは、燃料供給部１８５は、第１の燃料源から得た燃料を一次または二次の燃焼システム１３０、１４０のいずれかに提供することができ、かつ第２の燃料源から得た燃料を他の燃焼システム１３０、１４０に提供することができる。
【００３３】
図２〜図５に、分離式ＨＲＳＧ１１２およびＥＧＲダンパ２３５と一体化された本発明の実施形態を示す。しかし、本発明の実施形態は、分離式ＨＲＳＧ１１２を有するそれらの実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、分離式ＨＲＳＧおよびそれからの抽出を組み込まない構成に適用することができる。
【００３４】
分離式ＨＲＳＧ１１２は、第１のセクション２１０、第２のセクション２１５および全体の作動流体を各セクション２１０、２１５間に分割するＨＲＳＧダンパ２２０を含むことができる。ここで、負荷２９０の望ましい出力によって、セクション２１０、２１５間で分けられる流れを決定することができる。Ｓ−ＥＧＲ用途では、セクション間の質量流は、ＧＴコンプレッサ１２０において求められる流れに基づく。ＧＴコンプレッサ１２０、酸化剤コンプレッサ１５５および燃料供給部１８５からの流れが結合されたとき、その結果得られる流れ（焼成温度と一致する）は、一般に適切な出力を生成する。分離式ＨＲＳＧ１１２は、サイト１００の様々な構成要素間で、望ましい質量平衡をもたらすことができる。
【００３５】
再び図を参照すると、図２は、本発明の第２の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する標準的なガスタービン１０５の簡略図である。図２では、サイト１００は、分離式ＨＲＳＧ１１２、負荷１１５、蒸気タービン２６５および負荷２９０と動作可能なように接続されるガスタービン１０５を含む。ガスタービン１０５は、コンプレッサ入口１２１およびコンプレッサ出口１２３を有するＧＴコンプレッサ１２０を含むことができる。ＧＴコンプレッサ１２０は、再循環される排ガス（以降「作動流体」と言う）をＥＧＲシステム２４０から受け取って吸い込み、作動流体を圧縮し、圧縮された作動流体を、コンプレッサ出口１２３を通じて排出する。ガスタービン１０５は、酸化剤コンプレッサ１５５を含むことができ、それは、ａｃ入口１５７を通じて外気などの酸化剤を吸い込み、それを圧縮し、圧縮空気を、ａｃ出口１５９を通じて排出する。酸化剤コンプレッサ１５５は、圧縮気流を一次燃焼システム１３０に気流導管１６５を通じて供給することができ、それは、排出口導管１７５、排出口バルブ１８０、ブースタコンプレッサ１６０および遮断バルブ１７０を含むことができ、それらのそれぞれを必要に応じて動作させることができる。気流導管１６５は、ブースタコンプレッサ１６０を含むことができ、それは、動作上、圧縮気流を一次燃焼システム１３０に望ましい圧力および／または流速で供給するのを支援することができる。
【００３６】
本発明の実施形態では、ＧＴコンプレッサ１２０は、酸化剤コンプレッサ１５５と無関係に動作する。また、ガスタービン１０５は、一次燃焼システム１３０を含み、この一次燃焼システム１３０は、（先端部を通じて）ＧＴコンプレッサ出口１２３からの圧縮された作動流体と、第１の燃料導管１９０および第１の燃料バルブ１９５を含む燃料供給部１８５からの燃料と、気流導管１６５からの（化学量論的な燃焼に十分な量の）圧縮された酸化剤とを受け取る。一次燃焼システム１３０は、それらの流体を燃焼させて作動流体を生成し、それは、実質的に酸素を無くすことができ、排出端部を通じて燃焼システムから流出する。
【００３７】
また、ガスタービン１０５の実施形態は、ＰＴ入口１３７を有する一次タービンセクション１３５を含み、ＰＴ入口１３７は、一次燃焼システム１３０からの作動流体を実質的にすべて受け取り、一次燃焼システム１３０と流体的に接続される。一次タービンセクション１３５は、一次燃焼システム１３０と流体的に接続され、そこで作動流体が、一次燃焼システム１３０の排出端部から受け取られる。一次タービンセクション１３５は、取り付けられる、あるいは軸方向でロータ１２５に隣接する回転構成要素および静止構成要素を含むことができる。一次タービンセクション１３５は、作動流体を機械的なトルクに変換し、それは、負荷１１５（発電機、ポンプ、コンプレッサなど）を駆動する。次いで、一次タービンセクション１３５は、作動流体を、ＰＴ出口１３９を通じて排出セクション１５０に排出することができ、次いで関連する導管、配管、バルブなどを介して分離式ＨＲＳＧ１１２に排出することができる。
【００３８】
分離式ＨＲＳＧ１１２は、第１のセクション２１０と、第２のセクション２１５と、全部の作動流体を各セクション２１０、２１５間で分配するＨＲＳＧダンパ２２０とを含むことができる。第１のセクション２１０の実施形態は、作動流体の一部分がその中で流れる形で、一次タービンセクション１３５のＰＴ出口１３９と流体的に結合することができる。第１のセクション２１０は、プロセスにおいて使用するための蒸気を発生させるために、作動流体の一部分から熱を伝導するように構成することができる。プロセスは、ただしこれに限定されないが、蒸気タービン２６５を含むことができる。作動流体は、第１のセクション２１０を流れて通過した後、煙突２２５を通じて排出することができる。第１のセクション２１０の実施形態は、触媒２３０を含むことができ、それは、ＮＯｘ、ＣＯおよび／または他の望ましくない排出物のレベルを下げることができる。本発明の実施形態は、第１のセクション２１０中に触媒２３０を含むことができる。本発明の代替実施形態は、第１のセクション２１０および第２のセクション２１５中に触媒２３０を含むことができる。
【００３９】
また、第２のセクション２１５の実施形態は、作動流体の残された部分がその中で流れる形で、ＰＴ出口１３９と流体的に結合することができる。第２のセクション２１５は、第１のセクション２１０と同様に動作することができる。ここで、また、第２のセクション２１５は、蒸気を生成することができ、その蒸気から追加の動力および／または電気を生成することができる。作動流体は、第２のセクション２１５を流れて通過した後、ＥＧＲシステム２４０中に排出することができる。
【００４０】
ＥＧＲシステム２４０は、分離式ＨＲＳＧ１１２の第２のセクション２１５から流出する作動流体をＧＴコンプレッサ１２０に動作可能なように戻す。これは、燃焼プロセスに関連する反応温度を冷却し抑えることができる。第２のセクション２１５は、ＥＧＲシステム２４０の受け取り端部、または上流端部と流体的に接続することができる。ＥＧＲシステム２４０の排出端部は、述べたように、ＧＴコンプレッサ１２０の入口と流体的に接続することができる。ＥＧＲシステム２４０の実施形態は、作動流体の物理的な特性を動作可能なように調節する制御装置を含む。制御装置は、熱交換器２４５および／またはＥＧＲコンプレッサ２５０の形態を有することができる。以下で論議するように、ＥＧＲシステム２４０の実施形態は、多数の制御装置を含むことができる。また、ＥＧＲシステム２４０は、除去プロセスを容易にするＥＧＲダンパ２３５を含むことができる。また、ＥＧＲダンパ２３５は、部分負荷動作の間、全体システムの質量平衡を生成する上で支援することができる。
【００４１】
本発明の第２の実施形態は、使用の際、次のように動作することができる。酸化剤コンプレッサ１５５が、圧縮された外気を一次燃焼システム１３０に供給するとき、ＧＴコンプレッサ１２０は、圧縮された作動流体を一次燃焼システム１３０に供給する。より高圧での外気が求められる場合、ブースタコンプレッサ１６０を使用することができる。燃料供給部１８５は、ほぼ同時に、炭化水素ベースの燃料（天然ガスなど）を一次燃焼システム１３０に供給する。
【００４２】
次に、一次燃焼システム１３０は、それら３つの流体の混合物を燃焼させて作動流体を生成し、それは、一次タービンセクション１３５と係合する。次に、作動流体は、排出セクション１５０を流れて通過することができる。次に、作動流体は、述べたように、分離式ＨＲＳＧ１１２の第１のセクション２１０および第２のセクション２１５に流入することができる。
【００４３】
作動流体は、第１のセクション２１０を流れて通過した後、述べたように、発生した蒸気がＨＰおよびＩＰセクション２７０、２７５およびＬＰセクション２８５に流入するにつれて、煙突２２５を通じて排出することができる。作動流体の残された部分は、第２のセクション２１５を流れて通過した後、ＥＧＲシステム２４０に流入することができる。作動流体は、ＥＧＲシステム２４０の構成に依存して、熱交換器２４５を流れて通過することができ、そこでは、温度低下が起きる可能性がある。次いで、作動流体は、ＥＧＲコンプレッサ２５０を流れて通過することができる。要素２４５、２５０が、作動流体の圧力および／または温度を、ＧＴコンプレッサ１２０を通じてガスタービン１０５に戻る前に調節するように働く。
【００４４】
蒸気タービン２６５の実施形態は、述べたように、ＨＰセクション２７０、ＩＰセクション２７５、およびＬＰセクション２８５を含むことができる。動作上、いくつかの構成は、蒸気をＨＰセクション２７０に流入させ、それは、次いで、ＨＰセクション２７０の排出部を通じて排出され、次いで、ＨＲＳＧ１１２に排出される。ここで、ＩＰ蒸気との混合および再熱が行われ、その後、蒸気は、ＩＰ蒸気タービン２７５に送られる。次に、ＩＰ排出蒸気は、ＬＰ吸気蒸気と混合されてＬＰ蒸気タービン２８５に流入する。いくつかの蒸気タービン２６５の構成は、ＨＰセクション２７０およびＩＰセクション２７５が、第１のシャフト２７３と動作可能なように接続され、ＬＰセクション２８５は、第２のシャフト２８３と接続することができる。ここで、各シャフト２７３、２８３によって、ＬＰセクション２８５の動作と無関係にＨＰ／ＩＰセクション２７０、２７５を動作させることができる。他の構成は、縦一列になって、または「単一ロータ」構成で協働するすべてのセクション２７０、２７５、２８５を有する。ここで、クラッチ２８０は、第１のシャフト２７３と第２のシャフト２８３を動作可能なように係合する、または係合解除することができる。この構成は、まさにＬＰセクション２８５が動作するようにさせることができる。
【００４５】
部分負荷では、蒸気生成が、ＬＰ蒸気生成に偏る傾向がある。したがって、クラッチ２８０は、ＬＰ蒸気タービン２８５からＨＰ／ＩＰセクション２７０、２７５を係合解除することができる。ここで、ＬＰセクション２８５は、公称速度で回転する。ＨＰ／ＩＰセクション２７０、２７５は、分離式ＨＲＳＧ１１２からのＨＰ／ＩＰ蒸気流がより低速なので、それに応じて、より低速で回転する。この蒸気流は、ＨＰおよびＩＰセクション２７０、２７５を密閉することができる。ＨＰ／ＩＰセクション２７０、２７５からＬＰセクション２８５を結合解除すると、部分負荷動作で都合が良いことがあり、蒸気タービン２６５のターンダウン範囲を拡大することができる。
【００４６】
上記の議論は、図２に関連して閉鎖サイクルのガスタービン１０５に適用される本発明の基本概念を述べている。便宜上、図２で識別された構成要素および要素に対応するそれらは、図３〜図５で同様の参照数字を用いて識別されるが、具体的には、必要に応じて、または各実施形態の理解のために望ましいように、それらについて議論するだけである。
【００４７】
図３は、本発明の第３の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する再熱ガスタービン１０７の簡略図である。この第３の実施形態と第２の実施形態の主な差は、再熱ガスタービン１０７に対する本発明の適用である。ここで、再熱ガスタービン１０７は、次の追加の構成要素（図３に示すように）、すなわち、二次燃焼システム１４０と、二次タービンセクション１４５と、第２の燃料導管およびバルブ２００、２０５それぞれとを含む。動作上、この第３の実施形態では、一次燃焼システム１３０は、実質的に化学量論的なモードで動作することができる、またはそうでなくてもよい。しかし、二次燃焼システム１４０は、化学量論的なシステムとして機能することができる。
【００４８】
また、図３に示す実施形態は、追加の空気供給回路３００および遮断バルブ３０５を含む。ここで、空気供給回路３００の上流端部は、ａｃ出口１５９と流体的に接続することができ、下流端部は、二次燃焼システム１４０と接続することができる。追加の空気供給回路３００によって、圧縮気流を一次燃焼システム１３０に供給する回路と無関係に動作させ制御することができる。これは、二次燃焼システム１４０のための圧縮された外気の専用供給部と見なすことができる。
【００４９】
動作上、この第３の実施形態における蒸気タービン２６５および分離式ＨＲＳＧ１１２は、本発明の第２の実施形態の動作と実質的に同様に動作することができる。
【００５０】
図４は、本発明の第４の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する再熱ガスタービン１０７の簡略図である。この第４の実施形態と第３の実施形態の主な差は、空気供給回路４００および遮断バルブ４０５の構成である。図４に示すように、空気供給回路４００は、圧縮気流を一次燃焼システム１３０に供給する回路と一体にすることができる。ここで、回路は、ａｃ出口１５９と流体的に接続することができる。第１の下流端部は、一次燃焼システム１３０と接続することができる。第２の下流端部は、再熱燃焼システム１４０と接続することができる。
【００５１】
図５は、本発明の第５の実施形態を示す、閉鎖サイクルモードで動作する再熱ガスタービン１０７の簡略図である。この第５の実施形態と第４の実施形態の主な差は、空気供給回路５００および遮断バルブ５０５の構成である。ここで、空気供給回路５００に供給する酸化剤コンプレッサ１５５からの抽出は、酸化剤を二次燃焼システム１４０に供給するために求められる圧力範囲内とすることができる。ここで、空気供給回路５００は、圧縮気流を二次燃焼システム１４０に供給する独立回路とすることができる。回路５００は、図５に示すように、酸化剤コンプレッサ１５５上の追加のａｃ出口５１０と流体的に接続することができる。追加の空気供給回路５００の下流端部を二次燃焼システム１４０と接続することができる。
【００５２】
本明細書に、具体的な実施形態を示し述べてきたが、当業者は、同じ目的を達成するように考えられるいずれもの構成を、示した具体的な実施形態と置き換えることができ、かつ本発明が他の環境では他の適用例を有することを理解される。本出願は、本発明のいずれもの適合形態または変形形態をカバーすると意図される。次の特許請求の範囲は、本発明の範囲を本明細書に述べた具体的な実施形態に限定することを決して意図しない。
【００５３】
当業者が理解されるように、いくつかの実施形態に関して上記に述べた多くの様々な特徴および構成は、本発明の他の考えられる実施形態を形成するために、さらに選択的に適用することができる。当業者は、たとえ以下の、またはそうでなく別のいくつかの請求項において包含されるすべての組合せおよび考えられる実施形態が、本出願の一部分をなすと意図されるとしても、本発明のすべての可能な繰返しは、詳細に提供されていない、または議論されていないことをさらに理解されることになるはずである。さらに、当業者は、本発明のいくつかの実施形態の上記の記述から、改良形態、変更形態および修正形態に気付くことになるはずである。当業者内のかかる改良形態、変更形態および修正形態も、添付の特許請求の範囲がカバーするものと意図される。さらに、前述の事項は、本出願の述べられた実施形態だけに関しており、次の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本出願の趣旨および範囲から逸脱せずに、本明細書に多くの変更および修正を実施することができることは、明らかなはずである。
【符号の説明】
【００５４】
１００  サイト
１０５  ガスタービン
１０７  再熱ガスタービン
１１０  熱回収式蒸気発生器、ＨＲＳＧ
１１２  分離式ＨＲＳＧ
１１５  負荷
１２０  ＧＴコンプレッサ
１２１  コンプレッサ入口
１２３  コンプレッサ出口
１２５  ロータ
１３０  一次燃焼システム
１３５  一次タービンセクション
１３７  ＰＴ入口
１３９  ＰＴ出口
１４０  二次燃焼システム、再熱燃焼システム
１４５  二次タービンセクション
１５０  排出セクション
１５５  酸化剤コンプレッサ
１５７  ａｃ入口
１５９  ａｃ出口
１６０  ブースタコンプレッサ
１６５  気流導管
１７０  遮断バルブ
１７５  排出口導管
１８０  排出口バルブ
１８５  燃料供給部
１９０  第１の燃料導管
１９５  第１の燃料バルブ
２００  バルブ
２０５  バルブ
２１０  第１のセクション
２１５  第２のセクション
２２０  ＨＲＳＧダンパ
２２５  煙突
２３０  触媒
２３５  ＥＧＲダンパ
２４０  ＥＧＲシステム
２４５  熱交換器
２５０  ＥＧＲコンプレッサ
２６５  蒸気タービン
２７０  ＨＰセクション
２７３  第１のシャフト
２７５  ＩＰセクション、ＩＰ蒸気タービン
２８０  クラッチ
２８３  第２のシャフト
２８５  ＬＰセクション、ＬＰ蒸気タービン
２９０  負荷
３００  空気供給回路
３０５  遮断バルブ
４００  空気供給回路
４０５  遮断バルブ
５００  空気供給回路
５０５  遮断バルブ
５１０  ａｃ出口
【図１】
2013221506.tif 000003
【図２】
2013221506.tif 000004
【図３】
2013221506.tif 000005
【図４】
2013221506.tif 000006
【図５】
2013221506.tif 000007